一文看懂“車聯(lián)網(wǎng)”的前世今生

王一鳴

1 紅綠燈起步的交通管理

從汽車誕生的那一天起，對(duì)于城市交通而言，安全和便捷始終是最重要的課題。面對(duì)城市道路中日益增長(zhǎng)的車輛，以及與日劇增的事故風(fēng)險(xiǎn)和通行壓力，城市管理者和交通領(lǐng)域的科研人員利用交通信號(hào)設(shè)施來(lái)實(shí)現(xiàn)交通控制，并不斷推陳出新。

19世紀(jì)60年代，英國(guó)倫敦議會(huì)大廈前的十字路口安裝了世界上第一盞交通信號(hào)燈（壁板式燃?xì)饨煌ㄐ盘?hào)燈）。它由一位警察牽動(dòng)皮帶進(jìn)行燈色切換：紅燈停，綠燈行。雖然緩解了路口的交通壓力，但這第一盞交通信號(hào)燈在工作了23天后就爆炸自滅了。

1914年，美國(guó)俄亥俄州克利夫蘭市（Cleveland，Ohio）開始部署電氣交通信號(hào)燈用于地面交通控制和協(xié)調(diào)，這被認(rèn)為是最早的交通信號(hào)控制系統(tǒng)。

1918年，紐約市五號(hào)街的一座高塔上出現(xiàn)了三色（紅、黃、綠三種標(biāo)志）交通信號(hào)燈，這種經(jīng)典的“配色”一直延續(xù)到現(xiàn)在。

1926年，英國(guó)的沃爾佛漢普頓首次使用自動(dòng)化控制器來(lái)控制信號(hào)燈：按照一個(gè)固定的周期切換信號(hào)燈的顏色。

20世紀(jì)60年代，美國(guó)丹佛市通過(guò)模擬計(jì)算機(jī)對(duì)交通信號(hào)實(shí)現(xiàn)集中化的實(shí)時(shí)控制，可以同時(shí)對(duì)道路網(wǎng)中各交叉路口的交通信號(hào)進(jìn)行協(xié)調(diào)控制。而后，加拿大的多倫多在全市范圍內(nèi)建成了第一個(gè)全市交通信號(hào)集中控制與協(xié)調(diào)系統(tǒng)。

至今，交通信號(hào)燈的樣子幾乎沒(méi)有什么改變，但交通控制的理論方法和運(yùn)行系統(tǒng)卻一直在進(jìn)步。

從人工操作或固定周期式的單點(diǎn)控制，到協(xié)同相鄰道口周期、保證道路沿線的綠燈具有連續(xù)性的干線控制，再到持續(xù)優(yōu)化整個(gè)區(qū)域交通資源（主要是信號(hào)燈的配時(shí)）的面控制。如今的交通控制技術(shù)雖然演進(jìn)出很強(qiáng)的自動(dòng)化、智能化特性，但同時(shí)也達(dá)到了性能瓶頸。

采用單一的“紅綠信號(hào)燈”模式進(jìn)行交通控制已無(wú)法更有效地管理交通資源（實(shí)時(shí)性不足）：紅綠燈只在路口起效，其效用無(wú)法覆蓋整條道路；駕駛員可能因?yàn)樘鞖庠蚧蛟诮煌〒矶虑闆r下看不清交通信號(hào)燈；司機(jī)容易陷入“黃燈進(jìn)退兩難的境地”（Yellow Interval Dilemma），即在黃燈閃爍時(shí)難以抉擇是“進(jìn)”還是“?！?；雖然在交通網(wǎng)絡(luò)中引進(jìn)了誘導(dǎo)系統(tǒng)（提示路況信息），司機(jī)也可以使用實(shí)時(shí)反饋路況的導(dǎo)航系統(tǒng)，但對(duì)道路利用的整體提升效果并不明顯……

城市道路要容納更多的車輛、滿足更多的出行需求，就需要突破原有的技術(shù)領(lǐng)域，朝著更深度的信息化和智能化方向發(fā)展。

2 智能交通（ITS）

“智能交通”的想法早在20世紀(jì)初就已經(jīng)出現(xiàn)，它的誕生與城市化發(fā)展休戚相關(guān)：城市管理者希望它能夠解決城市道路日益擁堵的狀況，以及所造成的經(jīng)濟(jì)損失。在20世紀(jì)90年代，智能交通系統(tǒng)（Intelligent Transportation System，ITS）的概念逐漸成型。

目前，ITS已經(jīng)在許多發(fā)達(dá)國(guó)家獲得了廣泛應(yīng)用，其研究推進(jìn)工作呈現(xiàn)“三足鼎立（領(lǐng)先）”的局面：美國(guó)、歐洲、日本（美國(guó)智能運(yùn)輸協(xié)會(huì)-ITS America、歐洲道路運(yùn)輸通信技術(shù)實(shí)用化促進(jìn)組織-ERTICO、日本道路交通車輛智能化推進(jìn)協(xié)會(huì) -VERTIS）。

人們建設(shè)ITS的初衷是希望通過(guò)在交通控制系統(tǒng)中融入更多的信息技術(shù)，以解決交通的資源利用率和安全性的問(wèn)題。不過(guò)如今，它還被賦予了其他功能：增加旅途的舒適性、輔助或自動(dòng)駕駛、運(yùn)輸效能提升（包括提高能源利用率、提供最短路徑）、增值服務(wù)等。

智能交通是一門交叉學(xué)科，它涉及各種交通要素，包括道路、車輛、駕駛者和乘客、收費(fèi)站和車站、信息技術(shù)、行人、法規(guī)等；包含各類交通管理系統(tǒng)和服務(wù)，如交通信息服務(wù)、車輛管理、電子收費(fèi)、緊急救援、誘導(dǎo)信息服務(wù)等。（注釋：《解讀物聯(lián)網(wǎng)》-機(jī)械工業(yè)出版社）

智能交通的應(yīng)用主要包括車輛行駛安全、電子收費(fèi)、公路及車輛管理、導(dǎo)航定位、商業(yè)車隊(duì)管理等領(lǐng)域。

智能交通的構(gòu)建是信息技術(shù)領(lǐng)域和交通運(yùn)輸領(lǐng)域的深度融合。通信網(wǎng)絡(luò)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、傳感技術(shù)、軟件工業(yè)是實(shí)現(xiàn)ITS的關(guān)鍵。

世界道路協(xié)會(huì)的《智能交通系統(tǒng)手冊(cè)》對(duì)ITS定義：在交通運(yùn)輸領(lǐng)域集成應(yīng)用“自動(dòng)數(shù)據(jù)感知與采集”“網(wǎng)絡(luò)通信”“信息處理”與“智能控制”，使得交通運(yùn)輸業(yè)變得更加安全、高效、環(huán)保和舒適的各種信信息系統(tǒng)的統(tǒng)稱。

從ITS定義中能夠看到，智能交通系統(tǒng)發(fā)展的本質(zhì)就是“信息技術(shù)”與“交通技術(shù)”的組合進(jìn)化。

3 ITS的發(fā)展歷程

3.1 70年代起步

1970年，美國(guó)提出了電子道路導(dǎo)航系統(tǒng)（Electronic Route-Guidance System，ERGS），通過(guò)路邊設(shè)備提供車輛導(dǎo)航服務(wù)。

1973年，日本的汽車交通控制綜合系統(tǒng)（Comprehensive Automobile Traffic Control System，CACS）項(xiàng)目上線，這是日本第一個(gè)ITS項(xiàng)目。通過(guò)路邊設(shè)備引導(dǎo)車輛行駛，減少擁堵，避免安全事故發(fā)生，同時(shí)還可提供應(yīng)急服務(wù)。

3.2 80年代三強(qiáng)局勢(shì)

在1986年歐盟啟動(dòng)了“最高效及安全歐洲交通項(xiàng)目（Program for European Traffic with Highest Efficiency and Unprecedented Safety，PROMETHEUS）”。意在研究車-車通信（PRO-NET）、車-路通信（PRO-ROAD）、輔助駕駛（PROCAR）等先進(jìn)的交通信息技術(shù)。此外，歐盟同期開始研究的還有“保障車輛安全的歐洲道路基礎(chǔ)設(shè)施計(jì)劃（DRIVE）”。

2000年歐盟發(fā)布的KAREN項(xiàng)目包含了ITS體系框架。2009年，開始委托多家機(jī)構(gòu)制定統(tǒng)一的ITS標(biāo)準(zhǔn)。2011年，歐盟啟動(dòng)了Drive C2X車聯(lián)網(wǎng)項(xiàng)目，意在打造一個(gè)安全、高效、環(huán)保的行車環(huán)境，該項(xiàng)目于2014年宣布試驗(yàn)成功。

1992年，美國(guó)制訂了智能車輛道路系統(tǒng)（IVHS）的研究計(jì)劃，并在1995年由運(yùn)輸部正式公布了“國(guó)家ITS項(xiàng)目規(guī)劃”。2009年，美國(guó)交通部發(fā)布了《智能交通系統(tǒng)戰(zhàn)略研究計(jì)劃：2010-2014》，明確了車聯(lián)網(wǎng)的構(gòu)想。

2014年美國(guó)計(jì)劃強(qiáng)制推廣車際通信（美國(guó)國(guó)家高速公路安全管理局發(fā)布《法規(guī)制定預(yù)告通知》《V2V技術(shù)應(yīng)用已準(zhǔn)備就緒》），并在2015年由美國(guó)交通運(yùn)輸部啟動(dòng)互聯(lián)汽車項(xiàng)目。

在前期研究成果的基礎(chǔ)上（車間通信系統(tǒng)-RACS、交通信息通信系統(tǒng)-TICS），1995年日本道路交通情報(bào)中心建成了道路交通情報(bào)通信系統(tǒng)（VICS，Vehicle Information and Communication System Center）。司機(jī)可以通過(guò)裝載VICS系統(tǒng)的車載導(dǎo)航器享受無(wú)償交通信息服務(wù)。

2000年開始，ETC電子收費(fèi)系統(tǒng)（Electronic Toll Collection）在日本大力發(fā)展。

2002年，VICS中心開始向手機(jī)、掌上電腦、個(gè)人電腦等終端提供交通信息。

2003年，高級(jí)公路輔助導(dǎo)航系統(tǒng)（Advanced Cruiseassist Highway Systems，AHS）的項(xiàng)目正式開始實(shí)施，該系統(tǒng)通過(guò)路-車的通信協(xié)同（采用DSRC，專用短程通信），為駕駛?cè)藛T提供安全行車服務(wù)。

4 車聯(lián)網(wǎng)/車載網(wǎng)的發(fā)展

車聯(lián)網(wǎng)/車載網(wǎng)是ITS的重要組成部分。在智能交通中，相對(duì)于其他領(lǐng)域的研究（例如城市公共交通管理、交通誘導(dǎo)與服務(wù)等），對(duì)車聯(lián)網(wǎng)/車載網(wǎng)的研究起步最晚，有些領(lǐng)域還處于最初級(jí)的階段。

在全球范圍內(nèi)，最主要的車聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)有兩種，即DSRC（IEEE）和LTE-V（3GPP），支持車輛連接到的所有相關(guān)事物，包括道路設(shè)施、其他車輛、人等。

4.1 DSRC

在智能交通的發(fā)展中，專用短程通信（DeDICated Short Range CommunICation，DSRC）技術(shù)是ITS的基礎(chǔ)之一，隨著智能交通的發(fā)展而不斷發(fā)展，相關(guān)技術(shù)在90年代取得了突破性進(jìn)展。

1992年，ASTM美國(guó)材料試驗(yàn)學(xué)會(huì)（American Society for Testing Materials，ASTM）主要針對(duì)ETC業(yè)務(wù)的開發(fā)而最先提出DSRC技術(shù)的概念，該通信技術(shù)采用915 MHz頻段開展標(biāo)準(zhǔn)化工作。

1999年10月，美國(guó)聯(lián)邦通信委員會(huì)在5.9 GHz頻段中為V2V和V2I兩種類型的短距離連接（Dedicated Short-Range Communication，DSRC）劃分了專用頻道。

2001年，ASTM的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)選定IEEE802.11a作為DSRC底層無(wú)線通信協(xié)議。

在2004年，IEEE修訂了IEEE802.11p協(xié)議規(guī)范，并成立工作組啟動(dòng)了車輛無(wú)線接入（Wireless Access in the Vehicles Environment，WAVE）的標(biāo)準(zhǔn)制定工作，為進(jìn)一步開展車路協(xié)同的技術(shù)研究，啟動(dòng)VII/IntelliDrive項(xiàng)目。同年的美國(guó)費(fèi)城，國(guó)際計(jì)算機(jī)組織（Association Computing Machinery，ACM）第一屆VANET學(xué)術(shù)會(huì)議召開，“VANET”這個(gè)縮寫單詞首次被正式使用。

2010年，WAVE工作組正式發(fā)布了IEEE 802.11p車聯(lián)網(wǎng)通信標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)作為車載電子無(wú)線通信規(guī)范，應(yīng)用于智能交通（ITS）系統(tǒng)，成為了DSRC標(biāo)準(zhǔn)下的底層協(xié)議（MAC層/PHY層，即OSI模型中的數(shù)據(jù)鏈路層和物理層）。

歐洲早在1994年就由CEN（歐洲標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)）開始了DSRC標(biāo)準(zhǔn)的起草。1995年，歐洲D(zhuǎn)SRC標(biāo)準(zhǔn)草案完成，并于1997年通過(guò)（ENV12253“5.8GHz-DSRC-物理層” 和ENV12795“DSRC-數(shù)據(jù)鏈路層”）。

2001年6家歐洲汽車廠商（寶馬、大眾、戴姆勒-克萊斯勒等）聯(lián)合供應(yīng)商、研究機(jī)構(gòu)成立了“車輛間通信聯(lián)盟（Car 2 Car Communication Consortium，C2C-CC）”，聯(lián)盟旨在利用無(wú)線LAN技術(shù)開發(fā)車間通信功能，并制定歐洲的車輛與基礎(chǔ)設(shè)備之間的通信標(biāo)準(zhǔn)。

為解決車間通信問(wèn)題，2004年寶馬和大眾加入了FleetNet項(xiàng)目（2000年）的后續(xù)工程——NOW（Network on Wheels），主要針對(duì)車間通信和保證數(shù)據(jù)安全性進(jìn)行研究。

在2008年，歐洲電信標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì)ETSI在5.9 GHz頻段為車載網(wǎng)劃分了專用頻道。在歐盟的第六框架計(jì)劃中諸多智能交通項(xiàng)目（同時(shí)也是“eSafety項(xiàng)目”）都在推動(dòng)車聯(lián)網(wǎng)/車載網(wǎng)相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，如COOPERS（智能交通安全協(xié)助系統(tǒng)-Austria tech公司），CVIS（車路協(xié)同系統(tǒng)-歐洲智能交通協(xié)會(huì)），SAFESPOT（SAFESPOT項(xiàng)目-菲亞特研究中心）等。

1994年日本聯(lián)合多家企業(yè)進(jìn)行了ETC收費(fèi)系統(tǒng)的野外試驗(yàn)，并對(duì)DSRC頻率進(jìn)行選頻。1997 年，日本TC204委員會(huì)制定了日本的DSRC標(biāo)準(zhǔn)。2001年ETC系統(tǒng)正式開始服務(wù)。

1999年日本（23家企業(yè)）啟動(dòng)了Smart Way（智能道路系統(tǒng)），主要是在交通場(chǎng)景中提供各種信息交換的基礎(chǔ)設(shè)施，各類設(shè)施的通信方式主要采用DSRC。（注釋：日本的VICS，ETC，AHS目前都屬于Smart Way項(xiàng)目）2007年，日本初步完成了Smart Way項(xiàng)目部分路段的試驗(yàn)計(jì)劃。

日本的DSRC由ISO/TC204制定，并支持最終的IEEE 802.11p版本（美國(guó)）。

4.2 LTE-V

2006年，多家通信和汽車領(lǐng)域企業(yè)（愛(ài)立信、沃達(dá)豐、MAN Trucks、大眾）攜手推進(jìn)智能汽車協(xié)作通信項(xiàng)目（Cocar，CoperativeCars），志在研究利用蜂窩通信技術(shù)（采用3G網(wǎng)絡(luò)）實(shí)現(xiàn)行車預(yù)警信息的相互傳遞（車輛之間、車與道路管理系統(tǒng)之間）。

隨后，寶馬和福特公司加入了CoCarX項(xiàng)目，在LTE網(wǎng)絡(luò)覆蓋下，車間的協(xié)作通信取得了較好的性能測(cè)試結(jié)果。

2012年，歐盟資助LTEBE-IT項(xiàng)目，開展LTE演進(jìn)協(xié)議在ITS中的應(yīng)用研究。

2015年，3GPP國(guó)際組織分別設(shè)立了專題“LTE對(duì)V2X服務(wù)支持的研究”和“基于LTE網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的V2X可行性服務(wù)研究”，正式啟動(dòng)LTE V2X技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化的研究。行業(yè)內(nèi)，將“LTE-V2X”（LTE： Long Term Evolution，即4G通信技術(shù)；V2X：Vehicle to Everything）簡(jiǎn)寫為“LTE-V”，它是基于無(wú)線蜂窩通信的車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，在業(yè)內(nèi)也稱為“C-V2X（Cellular-Vehicle to Everything）”。國(guó)內(nèi)多家通信企業(yè)（華為、大唐、中興等）參與了LTE-V的研發(fā)。

2016年9月3GPP完成了“基于LTE PC5接口的V2V”標(biāo)準(zhǔn)制定，其標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范引入了LTE-D2D的SideLink鏈路技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了高速度、高密度行車場(chǎng)景下的車與車直接通信。這種允許車間直連通信的方式，和以往的蜂窩通信技術(shù)有較大差異，也稱為“分布式（LTE-V-Direct）”工作方式。與“分布式（LTE-V-Direct）”相對(duì)的傳統(tǒng)蜂窩通信工作方式是“集中式（LTE-V-Cell）”，以基站為信息轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信

2017年3月，3GPP 在“基于LTE的V2X業(yè)務(wù)”項(xiàng)目中，完成了車聯(lián)網(wǎng)中各類型通信（車與車的蜂窩網(wǎng)通信、車與道路設(shè)施通信、車與人通信等）的標(biāo)準(zhǔn)化制定。

在3GPP的5G通信標(biāo)準(zhǔn)中，LTE-V將逐步演進(jìn)為NRV2X。

4.3 車聯(lián)網(wǎng)和智能交通

從DSRC和LTE-V的發(fā)展歷史來(lái)看，DSRC起步較早，并且已經(jīng)在許多ITS的研究項(xiàng)目中嶄露頭角，實(shí)現(xiàn)了一部分相對(duì)成熟的車聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，例如日本Smart Way中的各類子項(xiàng)目，歐 洲 的 COOPERS，CVIS，SAFESPOT，PreVENT等 項(xiàng) 目、美國(guó)的ETC應(yīng)用、VII/IntelliDrive等項(xiàng)目。

在LTE-V標(biāo)準(zhǔn)之前，車輛使用3/4G的蜂窩無(wú)線技術(shù)連接到網(wǎng)絡(luò)，稱之為Telematics（Telecommunications和Informatica的合成詞，意為遠(yuǎn)距離通信技術(shù)和信息技術(shù)結(jié)合的網(wǎng)絡(luò)）。

Telematics是車聯(lián)網(wǎng)的一種常見(jiàn)形式，但由于只實(shí)現(xiàn)了車與云端的聯(lián)接，所以也被理解為“狹義車聯(lián)網(wǎng)”。LTE-V的出現(xiàn)，是試圖打破原本蜂窩接入網(wǎng)絡(luò)只能作為DSRC技術(shù)補(bǔ)充的境地，將短距、直連、非IP化的通信技術(shù)（PC5接口）和蜂窩通信技術(shù)進(jìn)行融合，從而在車聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域形成一套完整的通信技術(shù)體系。

5 結(jié) 語(yǔ)

從各國(guó)對(duì)車聯(lián)網(wǎng)的研究模式來(lái)看，由于ITS應(yīng)用場(chǎng)景復(fù)雜、需求多樣、終端種類繁多，所以車聯(lián)網(wǎng)的研究需要和ITS應(yīng)用的開發(fā)同步推進(jìn)，以滿足行車過(guò)程中對(duì)各類技術(shù)細(xì)節(jié)的要求。

為了實(shí)現(xiàn)更高層次的安全、高效、環(huán)保等生產(chǎn)（行車）目標(biāo)，車輛（以及交通配套設(shè)備和系統(tǒng)）需要具備更多更強(qiáng)的感知能力、通信能力、計(jì)算能力（智能），通過(guò)增加交通系統(tǒng)整體的信息化能力以實(shí)現(xiàn)整個(gè)交通領(lǐng)域的升級(jí)。即車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是和傳感、計(jì)算（例如自動(dòng)駕駛）、軟件開發(fā)等信息化技術(shù)同步發(fā)展的，未來(lái)的“智能交通”是交通（道路）網(wǎng)絡(luò)和信息網(wǎng)絡(luò)的深度交融。